Применение турбинных счетчиков газа в составе УУГ большой и средней производительности повышенной точности

Особенности проектирования УУГ большой и средней производительности

Выбор типов первичных преобразователей расхода. Коллекторные схемы

К основным требованиям, которые предъявляются к приборам коммерческого учета, относятся: высокая точность измерения в широком диапазоне изменения физических величин; надежность работы в характерном для климатических условий России температурном диапазоне; стабильность показаний в течение межповерочного интервала; автономность работы; архивирование и передача информации; простота обслуживания, включая работы, связанные с поверкой приборов.

Анализ метрологических и эксплуатационных характеристик различных типов РСГ показал, что наиболее приемлемыми для коммерческих измерений объема газа большой и средней производительности являются турбинные, ультразвуковые РСГ и сужающие устройства. В настоящее время наметилась тенденция замены сужающих устройств на ультразвуковые и турбинные счетчики газа. Чаще устанавливают ультразвуковые приборы ввиду их более высокой пропускной способности.

Выбор типоразмера первичного преобразователя расхода производят в соответствии требованиями МИ 3082–2007 «Выбор методов и средств измерений расхода и количества потребляемого природного газа в зависимости от условий эксплуатации на узлах учета. Рекомендации по выбору рабочих эталонов для их поверки». При выборе типоразмера измерительного преобразователя должны выполняться требования:

где Qс.в — максимальный объемный расход газа, приведенный к стандартным условиям, который может быть измерен с помощью выбранного СИ;

Qс.н — минимальный объемный расход газа, приведенный к стандартным условиям, который может быть измерен с помощью выбранного СИ;

Qc.max — максимальный объемный расход газа, приведенный к стандартным условиям, на узле измерений;

Qc.min — минимальный объемный расход газа, приведенный к стандартным условиям, на узле измерений.

Если для выбранного средства измерения объемного расхода отсутствует типоразмер с верхним пределом измерений, превышающим максимальный расхода газа, или применение больших типоразмеров СИ нецелесообразно, выбирают преобразователи расхода одинакового типоразмера, число которых рассчитывают путем округления в большую сторону величины, рассчитанной по формуле:

Где qνmax — максимальный объемный расход газа при рабочих условиях;

qв — верхний предел измерений преобразователя расхода.

При этом преобразователи расхода могут быть подключены в измерительный трубопровод по коллекторной схеме, приведенной на рис. 1.

Преимущества коллекторных схем по сравнению с применением единичных приборов учета

УУГ, выполненный с применением нескольких преобразователей расхода меньшего типоразмера взамен одного большого, имеет существенные преимущества:

А) Повышенные точностные характеристики коллекторных схем измерения по сравнению с применением одного прибора

ГОСТ Р 8.741–2011 предъявляет требования к точности приведения объемов газа к стандартным условиям для узлов средней и большой производительности. Так, для узлов с пропускной способностью от 2·104 до 105 м3/ч погрешность не должна превышать величину ±2%. При этом, как было отмечено в работе Личко А.А., Племенкова С.Ф. «Относительная неопределенность измерений суммарных расходов и объемов газа, приведенных к стандартным условиям, для условий одновременной работы нескольких измерительных трубопроводов» [3], в случае применения нескольких параллельно установленных преобразователей расхода точность измерения объема газа может быть выше точности измерений при применении одного прибора.

Это связано с тем, что значения погрешности РС и средств измерений параметров потока и среды являются случайными величинами, т.е. производят различное воздействие на результат измерений по каждой отдельной измерительной линии и потому являются некоррелированными величинами. По этой причине для коллекторных схем измерения значение относительной стандартной неопределенности определения суммарного объемного расхода газа, приведенного к стандартным условиям, может быть рассчитано по формуле:

(4)

где n — количество преобразователей расхода;

 — составляющая относительной стандартной неопределенности определения объемного расхода газа, приведенного к стандартным условиям, через i-й измерительный трубопровод, обусловленная коррелированными источниками неопределенности измерений;

 — составляющая относительной стандартной неопределенности определения объемного расхода газа, приведенного к стандартным условиям, через i-й измерительный трубопровод, обусловленная некоррелированными источниками неопределенности измерений.

Данный алгоритм имеет ограничения по применению в следующих случаях:

1. давление газа в каждом измерительном трубопроводе отличается от среднего давления во всех работающих измерительных трубопроводах более чем на 10% на узлах измерений, на которых применяются средства измерений объемного расхода (объема) при рабочих условиях;
2. температура в каждом измерительном трубопроводе отличается от средней температуры газа во всех работающих измерительных трубопроводах более чем на 5°С на узлах измерений, на которых применяются средства измерений объемного расхода (объема) при рабочих условиях.

Следовательно, точность приведения газа к стандартным условиям узла учета на базе коллекторной схемы выше точности единичных приборов, входящих в его состав.

Б) Возможность проведения поверки «проливным» методом на стандартных поверочных установках

В настоящее время нормативные документы, действующие на территории РФ, обязуют проводить поверку приборов учета газа при давлении, близком к атмосферному, и в качестве рабочей среды использовать воздух. Наиболее надежным является «проливной» метод поверки, когда поверяемый счетчик устанавливается на поверочную установку и в ходе поверки определяется погрешность измерения объема на определенных значениях расходов.

Однако максимальный расход, обеспечиваемый поверочными установками, представленными в России, не превышает 6500 м3/ч. Поэтому для счетчиков газа с максимальным рабочим расходом более 6500 м3/ч возможно:

1. проведение поверки имитационным методом (для ультразвуковых счетчиков газа);
2. проведение поверки на Государственном эталоне расхода, г. Казань;
3. проведение поверки в европейских метрологических лабораториях;
4. проведение поверки в соответствии с разработанной методикой, когда точностные характеристики прибора контролируются не во всем диапазоне расходов.

Применение коллекторных схем позволяет применять приборы учета меньшей производительности, прошедшие поверку во всем диапазоне рабочих расходов. При этом их поверка осуществляется на стандартных поверочных установках, либо некоторые приборы могут быть поверены на месте установки, без их транспортировки в поверочные лаборатории. Стоимость данной поверки значительно ниже стоимости поверки на Государственном эталонеу или в европейской лаборатории.

В) Меньшая стоимость приборов учета и меньшие габаритные размеры узла учета

Применение приборов учета меньшего типоразмера в коллекторных схемах позволяет снизить как стоимость используемого оборудования, так и общую стоимость узла учета. Цена приборов учета, элементов измерительных трубопроводов, запорной арматуры, фильтров газа, фасонных элементов увеличивается в разы с увеличением типоразмера элемента.

Применение нескольких приборов учета взамен одного большего типоразмера позволяет существенно сократить также и габариты узла учета, что сказывается на снижении общей стоимости защитных сооружений, затрат на землеотведение, работ по монтажу и в конечном итоге на стоимости готового узла учета.

Технико-экономический анализ узлов учета газа большой и средней производительности на базе коллекторных схем или одного средства измерения

Рассмотрим частный случай подбора средств измерения расхода узла учета газа средней производительности с максимальным расходом 10000 м3/ч при рабочих условиях; рабочая среда — природный газ, избыточное давление 5,5 МПа.

В качестве первичного преобразователя расхода возможно применение:

1. турбинного счетчика газа SM-RI G6500 Ду500, обеспечивающего измерение максимального расхода Qmax = 10000 м3/ч
2. нескольких турбинных счетчиков газа TRZ G4000 Ду300 с применением коллекторной схемы.

Принципиальная схема узла учета на базе турбинного счетчика SM-RI G6500 Ду500 представлена на рис. 2.

Укрупненный состав узла учета следующий: ВН1 — кран трехходовой для манометра, ВН3 — кран шаровый муфтовый, ВН5-ВН6 — задвижка клиновая Ду500, СЧ1 — счетчик газа SM-RI G6500 Ду500, ПУ1-ПУ2 — прямой участок трубопровода Ду500 длиной 3Ду, Ф1-Ф2 — фильтр газа Ду300, МН1 — манометр ДМ 02-100-1-М.

Метрологические характеристики узла учета газа следующие:

• Максимальный расход: Qmax = 10000 м3/ч
• Минимальный расход: Qmin = 500 м3/ч
• Основная погрешность: ±1% в диапазоне расходов 0,2 Qmax ... Qmax, ±2% в диапазоне расходов Qmin ... 0,2Qmax

Габаритные размеры узла учета газа при реализации указанной принципиальной схемы составят 10×2,5×1,8 м. То есть для размещения узла потребуется площадка под размещение площадью не менее 25 м2 (без учета систем ограждения.

В случае применения коллекторной схемы для построения узла учета газа с максимальной пропускной способностью 1000 м3/ч на базе турбинных счетчиков TRZ G4000 газа потребуется использование нескольких приборов учета, так как не выполняется условие (1). Их общее количество рассчитывается по формуле (3) и для рассматриваемого случая составит:

Принципиальная схема узла учета газа с использованием коллекторной схемы на базе двух турбинных счетчиков TRZ G4000 приведена на рис. 3.

Укрупненный состав узла учета следующий: ВН1-ВН2 — кран трехходовой для манометра, ВН3-ВН4 — кран шаровый муфтовый, ВН5-ВН6 — кран шаровый разборный Ду300, СЧ1-СЧ2 — счетчик газа TRZ G4000 Ду300, ПУ1-ПУ2 — прямой участок трубопровода Ду300 длиной 2Ду, Ф1-Ф2 — фильтр газа Ду300, МН1-МН2 — манометр ДМ 02-100-1-М.

Метрологические характеристики счетчиков газа TRZ G4000 Ду300, входящих в узел учета газа следующие:

• Максимальный расход: Qmax = 6500 м3/ч;
• Минимальный расход: Qmin = 80 м3/ч (при работе на абсолютном давлении 5,5 МПа);
• Погрешность изменения: ±0,9% в диапазоне расходов Qmin ... Qmax (для исполнения счетчика 2У).

Следовательно, метрологические характеристики коллекторного узла учета газа таковы:

• Максимальный расход: Qmax = 10400 м3/ч;
• Минимальный расход: Qmin = 160 м3/ч;
• Погрешность измерения: ±0,63 % в диапазоне расходов Qmin ... Qmax

Погрешность измерения для коллекторной схемы EquXX рассчитана по формуле (4) с учетом того, что составляющая относительной стандартной неопределенности определения объемного расхода газа, приведенного к стандартным условиям, через i-й измерительный трубопровод, обусловленная коррелированными источниками неопределенности измерений EquXX =0, а составляющая относительной стандартной неопределенности определения объемного расхода газа, приведенного к стандартным условиям, через i-й измерительный трубопровод, обусловленная некоррелированными источниками неопределенности измерений, EquXX:

Габаритные размеры узла учета газа при реализации коллекторной схемы составят 6,7×2,5×1,8м. Это потребует для размещения узла учета площадку площадью не менее 16,75 м2, что на 30% меньше площади участка, требуемого под размещение узла учета аналогичной производительности на базе единичного средства измерения.

Стоимость узла учета на базе коллекторной схемы составит на 35% меньше стоимости узла на базе единичного прибора (без учета стоимости подготовки площадки под размещение, транспортных расходов, монтажных и пусконаладочных работ).

Кроме того, поверка турбинного счетчика SM-RI G6500 Ду500 сопряжена с определенными трудностями. Его поверка может быть выполнена на государственном эталоне расхода в г. Казань либо в европейских испытательных лабораториях, что значительно сказывается как на времени проведения поверки, так и на ее стоимости. В то время как турбинный счетчик TRZ G4000 Ду300 может быть поверен на стандартных поверочных установках либо на месте его эксплуатации с заменой измерительного преобразователя, что значительно дешевле.